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摘要:為解決傳統(tǒng)鹽湖鹵水蒸發(fā)生產(chǎn)周期長(zhǎng)和鹽湖地區(qū)水資源短缺的問(wèn)題，試驗(yàn)采用MgCl2溶液和透射電鏡對(duì)不同廠家生產(chǎn)的4種微孔疏水膜進(jìn)行篩選，研究了在進(jìn)料液溫度為30～60℃、循環(huán)流量為300～900mL/min的條件下進(jìn)料溶液對(duì)膜性能的影響，并對(duì)一里坪鹵水進(jìn)行濃縮實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明:(1)在相同條件下德國(guó)默克密理博的膜的膜通量大于其他3種膜的膜通量;(2)隨著料液溫度的升高、循環(huán)流量的增大，膜通量增加，鹽截率在實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)均大于99%;(3)隨著重復(fù)使用次數(shù)增加，膜通量逐漸減小。處理鹵水時(shí)可在短時(shí)間內(nèi)將料液濃縮甚至析出晶體且滲透?jìng)?cè)得到的水符合生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞:膜蒸餾;鹵水;膜通量;鹽截率

膜蒸餾(MembraneDistillation，MD)是一種熱驅(qū)動(dòng)的水處理方法，其中較熱的進(jìn)料流在疏水的微孔膜的一側(cè)流動(dòng)，而較冷的餾出物流在另一側(cè)流動(dòng)。膜兩端的溫差產(chǎn)生蒸汽壓差，使得液態(tài)水從進(jìn)料流中蒸發(fā)，通過(guò)膜孔，并冷凝成餾出物流。其廣泛應(yīng)用在海水淡化、超純?nèi)芤簼饪s與提純等方面［1－3］。Curcio等［4］在2001年首次利用直接接觸式膜蒸餾濃縮NaCl溶液并得到NaCl晶體。Felinia等［5］設(shè)計(jì)了不同結(jié)構(gòu)和形狀的中空纖維膜，并應(yīng)用到直接接觸式膜蒸餾結(jié)晶中處理高濃度NaCl溶液從中回收水和NaCl晶體，研究表明單層的聚偏氟乙烯(PVDF)膜比雙層PVDF膜更具有抗?jié)櫇衲芰ΑｊP(guān)云山等［6］用膜蒸餾—結(jié)晶耦合技術(shù)從高濃度KCl－MgCl2－H2O溶液中回收KCl，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中研究了溶液的濃度、循環(huán)流速對(duì)膜性能的影響。但是，膜蒸餾技術(shù)在鹵水濃縮方面的應(yīng)用研究比較少。傳統(tǒng)的鹽湖鹵水濃縮蒸發(fā)需要大面積的蒸發(fā)池，鹵水中的水分揮發(fā)到空氣中無(wú)法回收，且生產(chǎn)周期往往很長(zhǎng)，在一定程度上影響了鹽化工產(chǎn)品的生產(chǎn)效率［6］。采用膜蒸餾技術(shù)先處理模擬鹵水探索最佳操作條件，在最佳操作工藝下處理鹵水，在得到鹽湖中的礦物鹽同時(shí)得到淡水，既可用于鹽化工生產(chǎn)又緩解了當(dāng)?shù)厮Y源短缺。

1材料與方法

1.1試劑及材料氯化鉀(KCl)、六水氯化鎂(MgCl2•6H2O)、氯化鈉((NaCl)均為分析純(AR);實(shí)驗(yàn)所用的平板膜分別為北京北化黎明膜分離技術(shù)有限責(zé)任公司的聚四氟乙烯(PTFE)膜(膜1)，孔徑為0.22μm;北京升河誠(chéng)信膜科技發(fā)展中心的PTFE膜(膜2)，孔徑為0.45μm;杭州科百特過(guò)濾器材有限公司的PTFE膜(膜3)，孔徑為0.22μm;德國(guó)MERCK公司的聚偏氟乙烯(PVDF)膜(膜4)，孔徑為0.22μm;膜的有效面積均為0.004163m2。鹵水取自青海省一里坪鹽湖(硫酸鎂亞型)，其組成見(jiàn)表1

1.2試驗(yàn)儀器膜組件為定制;pH/電導(dǎo)率儀/離子綜合測(cè)量?jī)x，Sevenmulti型(METTLER－TOLEDO儀器有限公司);蠕動(dòng)泵，WT600F－2A(慧宇偉業(yè)(北京)流體設(shè)備有限公司);電子恒溫不銹鋼水浴鍋，HHS－2S(上海光地儀器設(shè)備有限公司);節(jié)能型智能恒溫槽，DC－2030(寧波新芝生物科技股份有限公司);電子天平，TD10002A(METTLER－TOLEDO儀器有限公司);電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀，ICAP6300(賽默飛世爾科技(中國(guó))有限公司)。

1.3試驗(yàn)方法(1)用MgCl2，NaCl和KCl溶液對(duì)不同廠家的膜從鹽截率和膜通量進(jìn)行篩選。(2)對(duì)最佳操作條件(溫度、流速)進(jìn)行探索。(3)用篩選的最優(yōu)膜在(2)選出的最佳條件下重復(fù)處理鹵水，直至膜潤(rùn)濕。

2結(jié)果與分析

2.1不同膜性能比較直接接觸式膜蒸餾實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1和圖2所示。由圖1可知，膜通量隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行逐漸減小，最后膜通量趨于零。這是因?yàn)殡S著原料液中的水進(jìn)入透過(guò)側(cè)，進(jìn)料側(cè)鹽溶液的濃度逐步增大，鹽溶液的蒸汽分壓不斷減小，導(dǎo)致膜兩側(cè)的蒸汽壓差下降直至趨于零。與其他膜相比膜1的通量9h時(shí)達(dá)到最低點(diǎn)之后膜通量又開(kāi)始上升，圖2中膜1的鹽截率在500min前穩(wěn)定在0.999，從500min后逐漸下降至0.9左右。所以，大約從9h時(shí)鹽截率下降，膜失去部分疏水性，膜通量上升。由圖3可知，膜1的膜表面極不平坦，膜孔分布不均勻，使得膜1的傳質(zhì)阻力最大，膜通量最小。由圖1可知，4種膜中，膜3與膜4的鹽截率最好，且在實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)都大于99.9%。由圖3可以明顯看出:膜1與膜2的孔隙比較大，并且結(jié)構(gòu)不均勻;膜3與膜4的膜孔大小適中，結(jié)構(gòu)勻稱(chēng)。所以膜3與膜4的膜性能優(yōu)于膜1和膜2。為了進(jìn)一步在膜3和膜4中選出最優(yōu)膜，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖得到結(jié)果由圖4和圖5表示。膜孔徑的大小會(huì)影響膜的性能，但是膜蒸餾中所處理的溶液的性質(zhì)會(huì)影響膜的孔徑［7］。從圖1和圖4可見(jiàn)，膜4的通量大于膜3的通量。另一方面因?yàn)槟?是PTFE膜，它的強(qiáng)度比膜4小，所以增加支撐層來(lái)提高膜強(qiáng)度，與此同時(shí)，膜的傳質(zhì)阻力也增加，導(dǎo)致膜3的膜通量減小。膜4是偏聚氟乙烯，具有極強(qiáng)的疏水性，它的耐沖性能和耐磨性能優(yōu)良，此外它的化學(xué)穩(wěn)定性良好，在室溫下不被酸、堿等強(qiáng)氧化性試劑腐蝕［8－11］，所以選擇膜4為膜蒸餾實(shí)驗(yàn)用膜。

2.2溫度對(duì)膜通量的影響溫度在膜蒸餾操作過(guò)程中是影響膜性能和熱力學(xué)效應(yīng)的一個(gè)重要參數(shù)［11］。提高料液溫度增加了水分子的能量，增強(qiáng)了水蒸氣擴(kuò)散作用，因此增加了水的蒸發(fā)作用。研究料液進(jìn)口溫度對(duì)膜性能的影響，使其他條件不變(料液濃度2mol/L;循環(huán)流量700mL/min;冷側(cè)冷卻溫度5℃)，料液分別為NaCl溶液、KCl溶液、MgCl2溶液時(shí)，控制料液的進(jìn)口溫度分別為30，40，50和60℃，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由圖6可知，在同一溫度下，膜通量總體由大到小的順序?yàn)?KCl溶液＞NaCl溶液＞MgCl2溶液;隨著溫度升高，3種溶液的膜通量都將增大。圖中膜通量增加明顯，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)剛開(kāi)始時(shí)鹽溶液濃度相對(duì)較低，水的活度大，相同溫度下水的蒸汽分壓較大，水蒸氣的跨膜驅(qū)動(dòng)力大;而隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，鹽溶液濃度越來(lái)越大，膜通量逐漸減小。由鹽溶液蒸氣數(shù)據(jù)知，同一溫度同一濃度時(shí)3種溶液的蒸氣壓大小為:KCl＞NaCl＞MgCl2;3種鹽溶液的蒸氣壓隨著濃度的增大而減小，所以3種鹽溶液膜蒸餾的跨膜驅(qū)動(dòng)力依次減小，膜通量依次減小;同一濃度下，3種鹽溶液各自的蒸氣壓值隨著溫度的增大而升高，60℃時(shí)的膜通量最大，30℃的膜通量最小。這是因?yàn)闇囟雀邥r(shí)，溶液表面的水汽分壓增大，傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力增大，膜通量增大，所以可以得出溫度越高時(shí)膜通量越大。

2.3循環(huán)流量對(duì)鹽截率和膜通量的影響研究料液循環(huán)流量對(duì)膜性能的影響，使其他條件不變(料液濃度:2mol/L;料液溫度:60℃;冷側(cè)冷卻溫度:5℃)，改變料液和冷凝液的循環(huán)流量，配制NaCl溶液、MgCl2溶液和KCl溶液500mL，分別在300，500，700和900mL/min循環(huán)流量下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并記錄數(shù)據(jù)。由圖7和圖8可知，鹽截率隨著料液的循環(huán)流量的增大趨勢(shì)不明顯。循環(huán)流量從300mL/min增加到900mL/min，膜通量有一定的增加。這是因?yàn)樵龃罅弦旱难h(huán)流量，增大了料液在膜組件中的湍流程度，減小了料液在膜表面的溫度和湍動(dòng)邊界層厚度，減小了溫差極化和濃差極化效應(yīng)，增加了膜表面的料液溫度，使膜表面蒸汽分壓增大，增大了蒸汽的跨膜驅(qū)動(dòng)力，增加了水的膜透過(guò)量。

2.4鹵水實(shí)驗(yàn)結(jié)果由圖9可知，膜蒸餾鹵水濃縮實(shí)驗(yàn)在進(jìn)行一段時(shí)間后鹵水達(dá)到過(guò)飽和，有部分析晶。所以隨著膜4重復(fù)使用次數(shù)的增加，膜通量在逐漸減小。因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)中，膜被重復(fù)使用，膜孔易被堵塞，膜的性能逐漸下降，使水的透過(guò)量減小。由圖10可知，隨著實(shí)驗(yàn)在時(shí)間上的累積，鹽截率變化不大，均達(dá)到99%。由電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測(cè)得鹵水濃縮后透過(guò)液組成見(jiàn)表2。對(duì)比濃縮前后鹵水和透過(guò)液的組成，透過(guò)液的K，Na，Mg含量占原鹵水含量的百分比分別為0.0208%，0.01670%，0.00845%，說(shuō)明膜蒸餾對(duì)鹵水濃縮有顯著的影響，鹵水中的鹽幾乎截留在了膜的進(jìn)料側(cè)。測(cè)得鹵水濃縮后的透過(guò)液的電導(dǎo)率是0.048～1.682ms/cm，對(duì)比純凈水的電導(dǎo)率是0～10μs/cm，飲用水的電導(dǎo)率是0～50μs/cm，一般家用自來(lái)水的電導(dǎo)率為125～1250μs/cm，實(shí)驗(yàn)表明:膜蒸餾實(shí)驗(yàn)得到的透過(guò)液達(dá)到生活用水的標(biāo)準(zhǔn)。

3討論與結(jié)論

處理單鹽溶液［6］的研究表明:料液的溫度升高、循環(huán)流量的增大都能使膜通量增加，與我們研究處理單鹽的大致趨勢(shì)相同，因?yàn)榱弦簻囟壬撸黾恿他}溶液表面的水汽分壓，增加了膜的傳質(zhì)推動(dòng)力，膜透過(guò)量增加。增大料液循環(huán)流量，料液的湍動(dòng)狀態(tài)加劇，減小了邊界層厚度，減小了溫差極化和濃差極化［12］，減小了傳熱傳質(zhì)阻力，增加了水的膜通過(guò)量。在前輩研究的基礎(chǔ)上，我們使用鹵水作為原料，不僅著眼于鹵水濃縮而且對(duì)滲透?jìng)?cè)得到的淡水也進(jìn)行了檢測(cè)，濃縮后的鹵水達(dá)到了過(guò)飽和甚至結(jié)晶同時(shí)得到的淡水也符合生活飲用水的標(biāo)準(zhǔn)。研究結(jié)果符合我們的初衷，在得到工業(yè)鹽的同時(shí)緩解我國(guó)西部鹽湖地區(qū)淡水短缺的問(wèn)題。在鹵水重復(fù)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)PVDF膜的耐用性距離工業(yè)化還有一定的距離，所以應(yīng)將致力研究膜蒸餾技術(shù)在鹽湖鹵水濃縮方面的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn):

［2］曹冬梅，張雨山，高春娟，等．膜蒸餾—結(jié)晶技術(shù)及在海水制鹽中的應(yīng)用［J］．鹽業(yè)與化工，2012，41(6):37－41．

［3］牛輝哲，張志強(qiáng)，畢秋艷，等．膜蒸餾—結(jié)晶耦合技術(shù)及其在鹵水分離純化領(lǐng)域的應(yīng)用前景［J］．化學(xué)通報(bào)，2016，79(11):1016－1020．

［6］關(guān)云山，武警，程文婷，等．膜蒸餾—結(jié)晶耦合從高濃度KCl－MgCl2－H2O溶液中回收KCl［J］．化工學(xué)報(bào)，2015，66(5):1767－1776．

［7］杜軍．減壓膜蒸餾及其分離含鉻溶液的研究［D］．重慶:重慶大學(xué)，2002．

［8］馮新，宣愛(ài)國(guó)，周彩榮，等．化工熱力學(xué)［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2018:158－209．

［9］呂建國(guó)．國(guó)內(nèi)膜蒸餾技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀［J］．甘肅科技，2012，28(19):71－75．

［10］周軍，劉云，葉長(zhǎng)明，等．聚偏氟乙烯(PVDF)膜的制備及在水處理中應(yīng)用的研究［J］．通用機(jī)械，2007(12):51－55．

［11］倪偉．膜結(jié)晶技術(shù)用于制備無(wú)機(jī)鹽晶體的基礎(chǔ)研究［D］．北京:北京化工大學(xué)，2007．

［12］楊蘭，丁忠偉，馬潤(rùn)宇．溫度極化對(duì)膜蒸餾過(guò)程的影響研究［J］．膜科學(xué)與技術(shù)，2004(3):5－11．

作者：張一瑤 張志強(qiáng) 劉玉強(qiáng) 單位：青海大學(xué)化工學(xué)院